專利名稱：一種抗電磁干擾的隔離端子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隔離端子，尤其涉及一種將電路板垂直拼接，并使用平板式變壓
器作為信號(hào)隔離部件，從而具有較強(qiáng)抗電磁干擾能力的隔離端子，屬于測(cè)試儀器儀表技術(shù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隔離端子也稱為模擬信號(hào)隔離器或者信號(hào)隔離放大器。它是安裝在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程 中進(jìn)行信號(hào)處理的中心計(jì)算機(jī)和分布在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備、儀表、傳感器之間的裝置，具有將 現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)進(jìn)行電氣隔離、放大、線性化、設(shè)置報(bào)警、安全保護(hù)等方面的作用。隔離配電器 是隔離端子系列產(chǎn)品中的一種類型。它的輸入端具有為外接的二線制現(xiàn)場(chǎng)變送器供電的功 能，同時(shí)接收這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)。 隔離端子所要隔離的輸入信號(hào)包括電壓信號(hào)、電流信號(hào)、各種變送器信號(hào)、表征 溫度的熱電阻信號(hào)、表征溫度的熱電偶信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)等。 隔離端子最重要的性能是使輸入輸出各部分在電氣上相互隔離，即隔離端子的輸 入輸出各部分之間不存在共同的電位參考點(diǎn)，這稱之為"隔離"。實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離的常用技術(shù) 手段有兩種。第一種是采用光電耦合器。光電耦合器適合于隔離脈沖數(shù)字信號(hào)，使用范圍 比較有限。第二種是采用變壓器。變壓器既可以作為電源變換元件使用，也可以使用在脈 沖數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的隔離上，因此在隔離端子中的使用范圍較廣。 對(duì)于使用變壓器作為信號(hào)隔離部件的隔離端子而言，變壓器的性能對(duì)隔離端子的 工作精度、穩(wěn)定度、隔離強(qiáng)度等主要參數(shù)的影響是非常重要的。如圖l所示，常規(guī)的變壓器 是使用漆包線在磁性材料框架上繞制而成。對(duì)于漆包線的繞制，無(wú)論是機(jī)器繞制還是手工 繞制都會(huì)帶來(lái)工藝上的差別，進(jìn)而帶來(lái)產(chǎn)品性能的差別，從而降低產(chǎn)品性能的可控性。尤其 在追求產(chǎn)品小型化的今天，隔離端子中的小型變壓器(指小于10mm直徑的磁環(huán)構(gòu)成的變壓 器)繞制主要是依賴手工，這就給產(chǎn)品性能帶來(lái)更明顯的離散度。 另一方面，隔離端子大多使用在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)中，工作環(huán)境比較惡劣，尤其是電 磁干擾幾乎是無(wú)法避免的。這種電磁干擾會(huì)使隔離端子處于不正常的工作狀態(tài)。為了解決 這一問(wèn)題，隔離端子必須滿足兩個(gè)基本要求第一是解決各種設(shè)備、儀表"地"之間的差，即 信號(hào)參考點(diǎn)的電位差；第二是具有較強(qiáng)的電磁兼容(Electro MagneticCompatibility，簡(jiǎn) 寫為EMC)能力。 國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布的IEC61000-4-3標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了被測(cè)試件受空間射頻電 磁場(chǎng)輻射抗擾度的試驗(yàn)條件。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在工業(yè)環(huán)境中電磁場(chǎng)強(qiáng)定為10V/M。按照電磁 兼容的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，要求隔離端子做到在電磁干擾環(huán)境中能正常工作，無(wú)性能降低或故障， 保證精確度、穩(wěn)定性等參數(shù)變化在規(guī)定范圍內(nèi)。同時(shí)隔離端子作為電磁騷擾源而產(chǎn)生的電 磁強(qiáng)度也要控制在規(guī)定范圍內(nèi)，減弱它對(duì)環(huán)境的電磁污染。 人們針對(duì)電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，提出了很多抗電磁干擾的技術(shù)措施。 但是在現(xiàn)有技術(shù)中，可以借鑒的文獻(xiàn)研究大多局限于針對(duì)使用一塊印刷電路板，即有關(guān)產(chǎn)品均是將元器件安裝在一塊印刷電路板上的情況。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，這種設(shè)計(jì)方案并不能從 根本上提高隔離端子的電磁兼容能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種抗電磁干擾的隔離端子。該隔離端子創(chuàng) 造性地使用兩塊垂直拼接的印刷電路板，并使用平板式變壓器作為信號(hào)隔離部件，可以有 效提高抗電磁干擾的能力。 為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案
—種抗電磁干擾的隔離端子，其特征在于 所述隔離端子包括主電路板和端子接口板，所述主電路板垂直插接在所述端子接 口板之上； 所述主電路板上包括信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分和電源模塊，三部分之間由壕 溝進(jìn)行隔離。 其中，所述壕溝不間斷地通到所述主電路板與所述端子接口板的連接端。
所述電源模塊中包括電源變壓器，所述電源變壓器位于所述主電路板的一隅。
所述主電路板上還具有作為信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分和電源模塊之間信號(hào)通 路的隔離變壓器。 所述電源變壓器和所述隔離變壓器為平板式變壓器。 所述平板式變壓器中，初級(jí)和次級(jí)的繞組由布置在印刷電路板板面上的銅箔導(dǎo)線 實(shí)現(xiàn)；所述印刷電路板為多層電路板，分屬于初級(jí)和次級(jí)的銅箔導(dǎo)線分別布置在印刷電路 板的不同層板面上。 在分別布置初級(jí)和次級(jí)的銅箔導(dǎo)線的不同層板面之間設(shè)置有作為屏蔽層的銅箔層。 所述電源模塊中具有一組為現(xiàn)場(chǎng)變送器供電的隔離電源，所述主電路板上還具有 電流型隔離器； 所述隔離電源與所述現(xiàn)場(chǎng)變送器以及電流型隔離器組成閉合的回路。 所述電流型隔離器以電流方式采集所述現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)，將所述信號(hào)隔離傳送
到所述信號(hào)輸出部分。 所述電流型隔離器在隔離傳送過(guò)程中的電能消耗由所述隔離電源提供。 本發(fā)明所提供的隔離端子采用新穎巧妙的電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并使用了平板式變壓
器作為電源和信號(hào)隔離元件，不僅可以滿足空間射頻調(diào)幅電磁場(chǎng)對(duì)電磁兼容能力的要求，
并且有利于充分利用產(chǎn)品內(nèi)部空間，使產(chǎn)品體積小型化。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖1是傳統(tǒng)隔離端子中采用漆包線繞制的變壓器的示意圖；
圖2為本隔離端子內(nèi)部的印刷電路板的組裝示意圖；
圖3為本隔離端子中的主電路板的布局示意圖；
圖4為本隔離端子中使用的平板式變壓器的示意 圖5為一種常規(guī)的隔離配電器的電路原理方框圖； 圖6為本發(fā)明所提供的一種低功耗的隔離配電器的電路原理方框圖； 圖7為常規(guī)的隔離配電器和本發(fā)明所提供的新型隔離配電器的功率消耗比較示
意圖； 圖8為常規(guī)的隔離配電器和本發(fā)明所提供的新型隔離配電器的工作過(guò)程溫升比 較示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，本隔離端子內(nèi)部的印刷電路板分為兩塊，其中一塊印刷電路板垂直 插接在另外一塊印刷電路板之上。在圖2中，垂直放置的印刷電路板是主電路板，水平放置 的印刷電路板是端子接口板。在本隔離端子中，將傳統(tǒng)的單電路板修改為相互垂直的雙電 路板，不僅有效提高了抗電磁干擾的能力，而且有利于充分利用隔離端子內(nèi)部的空間，使產(chǎn) 品體積小型化。 如圖3所示，主電路板上的電路分為信號(hào)輸入、信號(hào)輸出和電源模塊三個(gè)部分。這 三個(gè)部分的具體電路可以采用現(xiàn)有的成熟設(shè)計(jì)方案，在此就不詳細(xì)贅述了。與現(xiàn)有產(chǎn)品所 不同的是，在主電路板上按照輸入、輸出的"地"的不同劃分隔離功能區(qū)域，設(shè)置專門的壕溝 作為各個(gè)隔離功能區(qū)域的分界，并使壕溝不間斷地一直通到相互垂直的二塊印刷電路板的 連接端。在壕溝上不布置任何的走線。 在本隔離端子中，電源模塊將外部的24V DC隔離分為二組相互隔離的電源，分別 給信號(hào)輸入部分和信號(hào)輸出部分供電。電源變壓器布置在主電路板右上角的一隅，以便使 干擾源處于電路板的一隅，減少對(duì)整個(gè)電路板的影響。信號(hào)輸入部分的作用在于接收外來(lái) 信號(hào)并進(jìn)行放大、線性化等處理之后經(jīng)過(guò)隔離變壓器傳到信號(hào)輸出部分。信號(hào)輸出部分將 信號(hào)輸入部分傳過(guò)來(lái)的信號(hào)變換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳輸?shù)较乱患?jí)儀表接口 。隔離變壓器作為三個(gè) 部分之間的信號(hào)通路，使信號(hào)輸入、信號(hào)輸出和電源模塊之間在電氣上相互隔離，即這三個(gè) 部分沒(méi)有電氣上的共同"地"參考點(diǎn)。這樣可以有效解決信號(hào)參考點(diǎn)的電位差問(wèn)題。
在生產(chǎn)過(guò)程中，本隔離端子需多次對(duì)其中使用的電源變壓器和隔離變壓器進(jìn)行隔 離強(qiáng)度檢測(cè)，以保證信號(hào)隔離的強(qiáng)度。在傳統(tǒng)隔離端子中，電源變壓器和隔離變壓器大多采 用如圖l所示的由漆包線繞制的變壓器。這種繞制過(guò)程耗時(shí)費(fèi)工，而且存在手工繞制的圈 數(shù)誤差及繞制導(dǎo)線松緊的人為差別，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的不一致性。 為了解決這一問(wèn)題，本隔離端子采用了如圖4所示的平板式變壓器。平板式變壓 器采用銅箔導(dǎo)線作為繞組導(dǎo)線，用印刷方法將銅箔導(dǎo)線組成的線圈印制到印刷電路板上， 具有低漏磁、低擾度的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于平板式變壓器的進(jìn)一步說(shuō)明，可以參閱葉虹和葉治政發(fā)表 在《電源技術(shù)應(yīng)用》2000年第3巻第8期上的論文《高頻平板變壓器的原理與設(shè)計(jì)》，在此 就不贅述了。 在本隔離端子中，用于電源轉(zhuǎn)換隔離的電源變壓器和用于輸入輸出信號(hào)隔離的隔 離變壓器以布置在印刷電路板板面上的銅箔導(dǎo)線作為變壓器初級(jí)、次級(jí)的繞組，以銅箔導(dǎo) 線的印刷圈數(shù)作為初級(jí)、次級(jí)的繞組匝數(shù)以實(shí)現(xiàn)隔離前后的電壓比。銅箔導(dǎo)線以圓弧作為 導(dǎo)線轉(zhuǎn)向形式。在布置初級(jí)和次級(jí)的銅箔導(dǎo)線的印刷電路板板面之間設(shè)置作為屏蔽層的銅 箔層，以實(shí)現(xiàn)電源電壓變換和信號(hào)隔離傳送。
主電路板和端子接口板可以選用六層或更多層的印刷電路板。分屬于初級(jí)和次級(jí)的銅箔導(dǎo)線分別布置在印刷電路板的不同層板面上，并按照參數(shù)要求確定印刷在電路板上的銅箔導(dǎo)線圈數(shù)。 在設(shè)計(jì)本隔離端子時(shí)，可以依據(jù)功率選用平板式變壓器中所使用的磁性材料的尺寸。這是本領(lǐng)域一般技術(shù)人員都能掌握的常規(guī)設(shè)計(jì)，在此就不贅述了 。 上述基于平板式變壓器的技術(shù)方案可以使產(chǎn)品參數(shù)一致性增強(qiáng)并使產(chǎn)品參數(shù)可控度提高，接近自動(dòng)化批量生產(chǎn)的條件，并有助于使隔離端子達(dá)到電磁兼容的射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度的試驗(yàn)IEC61000-4-3標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還有效克服了傳統(tǒng)漆包線繞制的變壓器所存在的產(chǎn)品參數(shù)離散度大、參數(shù)可控難度大、體積難以減小的缺點(diǎn)。 上述隔離端子的技術(shù)方案稍加改造就可以用于實(shí)現(xiàn)一種低功耗的隔離配電器。前已述及，隔離配電器是隔離端子系列產(chǎn)品中的一種類型。它的輸入端具有為外接的二線制現(xiàn)場(chǎng)變送器供電的功能，同時(shí)接收這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)。 與普通的隔離端子相比較，隔離配電器具有配電和信號(hào)隔離兩方面的功能，即一方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器配電，另一方面將現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)隔離傳輸?shù)较乱患?jí)儀表。隔離配電器可以實(shí)現(xiàn)電源/信號(hào)輸入/信號(hào)輸出之間電磁全隔離，從而解決工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)干擾、轉(zhuǎn)換、傳輸及匹配問(wèn)題，在電力、化工、石油等領(lǐng)域得到廣泛的使用。 在配電電源設(shè)計(jì)方式上，常規(guī)的隔離配電器設(shè)計(jì)方案是把為現(xiàn)場(chǎng)變送器的供電和采集現(xiàn)場(chǎng)變送器信號(hào)并隔離傳送的功能電路的供電分配成二個(gè)獨(dú)立的電源電路來(lái)承擔(dān)。圖5是一種常規(guī)的隔離配電器的電路原理方框圖。從該方框圖可以看出，外界的24V DC電源經(jīng)變壓器后分為三組，其中一組電源單獨(dú)給現(xiàn)場(chǎng)變送器供電，另外兩組分別給信號(hào)輸入部分和信號(hào)輸出部分供電。在供電回路中顯示現(xiàn)場(chǎng)變送器信號(hào)的電流由隔離配電器輸入取樣電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，這樣在輸入取樣電阻也會(huì)產(chǎn)生一定的能量消耗。因此，與沒(méi)有配電功能的隔離端子相比，隔離配電器在工作過(guò)程中要消耗更多的電能，從而造成產(chǎn)品功率消耗高，產(chǎn)品殼體內(nèi)溫度升高幅度大。 為了降低隔離配電器本身的功耗，本發(fā)明所提供的新型隔離配電器僅具有一組隔離電源。這組隔離電源和外接的二線制的現(xiàn)場(chǎng)變送器、內(nèi)部的電流型隔離器形成閉合的回路。其中的電流型隔離器相當(dāng)于圖2和圖3中所示的隔離變壓器，它以電流方式采集現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)，將閉合回路中的現(xiàn)場(chǎng)變送器的電流信號(hào)隔離傳送到信號(hào)輸出部分。信號(hào)輸出部分將信號(hào)輸入部分傳過(guò)來(lái)的信號(hào)傳輸?shù)较乱患?jí)儀表接口。 如圖6所示，上述電路位于主電路板上，包括為外接的現(xiàn)場(chǎng)變送器配電的信號(hào)輸入部分、經(jīng)由電流型隔離器的信號(hào)輸出部分和電源模塊三個(gè)部分。電源模塊將外接的24VDC隔離出一組隔離電源，這組隔離電源和外接的現(xiàn)場(chǎng)變送器、隔離配電器內(nèi)部的電流型隔離器三者組成閉合回路，用于完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器配電和電流型隔離器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變送器信號(hào)的接收?，F(xiàn)場(chǎng)變送器的電流信號(hào)經(jīng)由電流型隔離器傳輸?shù)捷敵龆?，省去了信?hào)輸入部分的電路能量消耗。電流型隔離器在隔離傳送過(guò)程中的電能消耗由前述閉合回路中的隔離電源提供，這就充分利用了僅有的一組隔離電源的電能，可以完成配電、隔離傳送的隔離配電器功能。本發(fā)明所提供的新型隔離配電器采用把從外部電源獲得的功率全部在一個(gè)閉合回路中利用起來(lái)的技術(shù)思路，使具有配電和隔離二個(gè)功能的隔離配電器的功率消耗縮減接近到只有隔離功能的隔離端子的功率消耗水平，相應(yīng)減少了工作過(guò)程中的溫升，顯著改善了隔離配電器的工作可靠性和使用壽命。 圖7和圖8分別為常規(guī)隔離配電器和本發(fā)明所提供的新型隔離配電器的功率消耗
和工作過(guò)程溫升比較示意圖。從圖7和圖8中可以看出，本新型隔離配電器在功耗和溫升
方面都顯著優(yōu)于現(xiàn)有的常規(guī)隔離配電器，因此在工作可靠性方面也有所改善。 以上對(duì)本發(fā)明所提供的抗電磁干擾的隔離端子進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。對(duì)本領(lǐng)域的一
般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神的前提下對(duì)它所做的任何顯而易見的改動(dòng)，都
將構(gòu)成對(duì)本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
權(quán)利要求
一種抗電磁干擾的隔離端子，其特征在于所述隔離端子包括主電路板和端子接口板，所述主電路板垂直插接在所述端子接口板之上；所述主電路板上包括信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分和電源模塊，三部分之間由壕溝進(jìn)行隔離。
2. 如權(quán)利要求1所述的隔離端子，其特征在于所述壕溝不間斷地通到所述主電路板與所述端子接口板的連接端。
3. 如權(quán)利要求1所述的隔離端子，其特征在于所述電源模塊中包括電源變壓器，所述電源變壓器位于所述主電路板的一隅。
4. 如權(quán)利要求1所述的隔離端子，其特征在于所述主電路板上還具有作為信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分和電源模塊之間信號(hào)通路的 隔離變壓器。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的隔離端子，其特征在于 所述電源變壓器和所述隔離變壓器為平板式變壓器。
6. 如權(quán)利要求5所述的隔離端子，其特征在于所述平板式變壓器中，初級(jí)和次級(jí)的繞組由布置在印刷電路板板面上的銅箔導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)；所述印刷電路板為多層電路板，分屬于初級(jí)和次級(jí)的銅箔導(dǎo)線分別布置在印刷電路板 的不同層板面上。
7. 如權(quán)利要求6所述的隔離端子，其特征在于在分別布置初級(jí)和次級(jí)的銅箔導(dǎo)線的不同層板面之間設(shè)置有作為屏蔽層的銅箔層。
8. 如權(quán)利要求l所述的隔離端子，其特征在于所述電源模塊中具有一組為現(xiàn)場(chǎng)變送器供電的隔離電源，所述主電路板上還具有電流 型隔離器；所述隔離電源與所述現(xiàn)場(chǎng)變送器以及電流型隔離器組成閉合的回路。
9. 如權(quán)利要求8所述的隔離端子，其特征在于所述電流型隔離器以電流方式采集所述現(xiàn)場(chǎng)變送器的信號(hào)，將所述信號(hào)隔離傳送到所 述信號(hào)輸出部分。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的隔離端子，其特征在于 所述電流型隔離器在隔離傳送過(guò)程中的電能消耗由所述隔離電源提供。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抗電磁干擾的隔離端子。該隔離端子包括主電路板和端子接口板，主電路板垂直插接在端子接口板之上；并使用低漏磁、低擾度的平板式變壓器作為信號(hào)隔離部件。主電路板上包括信號(hào)輸入、信號(hào)輸出和電源模塊三部分，三部分之間由壕溝進(jìn)行隔離，壕溝不間斷一直通到端子接口板上，壕溝上不布置走線。本隔離端子采用新穎巧妙的電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠滿足空間射頻調(diào)幅電磁場(chǎng)對(duì)電磁兼容能力的要求，并且有利于充分利用產(chǎn)品內(nèi)部空間，使產(chǎn)品體積小型化。
文檔編號(hào)H05K1/14GK101777249SQ20091008595
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2009年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月8日
發(fā)明者張平, 朱愛松, 謝翔 申請(qǐng)人:北京維盛新儀科技有限公司